Εφαρμογή Διάφορων Τεχνικών Ελέγχου σε Σύγχρονες Μηχανές Μόνιμων Μαγνητών σε Εφαρμογές Ανελκυστήρων

Abstract

Η διαχρονική εξέλιξη της βιομηχανίας των ανελκυστήρων αποτελεί αναμφίβολα ένα σημαντικό πεδίο έρευνας λόγω του συνδυασμού ηλεκτρολογικών, ηλεκτρονικών και μηχανολογικών συστημάτων μεταξύ τους. Άλλωστε η εξέλιξη τους τα κατέστησε να αποτελούν ένα σημαντικό κομμάτι στην καθημερινότητα των πολιτών καθώς εντοπίζονται σε συνεχείς και επαναλαμβανόμενες κινήσεις τους ως ένα κρίσιμο μέσο μεταφοράς τους. Αρχικά η καθοριστική τους συμβολή εντοπίζεται στις ασφαλείς μετακινήσεις τους καθώς για την χρήση και την λειτουργία τους λαμβάνονται υπ’ όψη βασικοί παράμετροι και πληρούνται διάφορα πρωτόκολλα ασφαλείας. Επιπλέον, δίνεται η δυνατότητα μεταφοράς και μετακίνησης μεγάλων φορτίων όπου ανάλογα με τις προδιαγραφές και την ταχύτητα του ανελκυστήρα διαμορφώνεται και ο καθορισμός των κινήσεων του. Η πιο βασική παράμετρος όμως αφορά τον τύπο ανελκυστήρα καθώς στην αγορά διακρίνονται πολλά και διαφορετικά είδη που χαρακτηρίζονται από την ευελιξία και την λειτουργικότητα τους. Αναλύοντας κανείς την διεθνή βιβλιογραφία θα διαπιστώσει ότι η μελέτη εκτός από τις ηλεκτρολογικές διερευνήσεις θα επικεντρωθεί και στις μηχανολογικές. Η διπλωματική εργασία αποσκοπεί στο να διερευνηθούν τα ηλεκτρολογικά μέρη του κινητήριου συστήματος ενός ηλεκτρομηχανικού ασανσέρ που αποτελεί σήμερα την κύρια τεχνολογία λειτουργίας και κατασκευής των ανελκυστήρων. Ο ηλεκτροκινητήρας άλλωστε που αποτελεί και το κύριο μέσο μετάδοσης της κίνησης του κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικός από τους κατασκευαστές ώστε να επιτευχθούν καλύτερες αποδόσεις λειτουργίας τόσο του συνολικού συστήματος όσο και του ηλεκτρικού κινητήρα και μεγαλύτερα ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας. Η σωστή λειτουργικότητα του ηλεκτροκινητήρα στηρίζεται κατά κύριο λόγο στα ηλεκτρονικά ισχύος και στην χρήση τους. Με την χρήση κατάλληλα σχεδιασμένου μετατροπέα και διαμόρφωση κατάλληλων τεχνικών ελέγχου τα οποία αποτελούν δύο βασικές συνιστώσες σωστής λειτουργικότητας του συστήματος κίνησης. Με την παρούσα διπλωματική εργασία προσφέρεται η δυνατότητα επιλογής κατάλληλου ηλεκτροκινητήρα ο οποίος έρχεται σε συνάρτηση με την ταχύτητα και εφαρμογή του ανελκυστήρα. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής μηχανής τροποποιούνται ανάλογα με την εφαρμογή που θέλουμε να διερευνήσουμε. Η μελέτη μας θα εστιαστεί στην συγκριτική ανάλυση διάφορων τεχνικών ελέγχου σε ηλεκτρική μηχανή υποβοηθούμενη από μόνιμους μαγνήτες υψηλής απόδοσης και χαμηλών απωλειών προκειμένου οι τελικές γραφικές παραστάσεις που θα εξαχθούν να αναδείξουν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τις κατηγορίες ελέγχου που εφαρμόστηκαν και ποια τεχνική είναι κατάλληλη ώστε να χρησιμοποιηθεί στην συγκεκριμένη εφαρμογή. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Στην αρχή πραγματοποιείται μία γενικότερη αναφορά στην εξέλιξη της τεχνολογίας των ανελκυστήρων. Επιπλέον, αναλύεται ο συνολικός κύκλος λειτουργίας του συστήματος κίνησης με την χρήση πειραματικών καμπυλών σε σύγκριση με τις προσομοιωμένες ώστε να διαπιστωθεί ο σωστός προγραμματισμός που μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας. Στη συνέχεια, το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στις ηλεκτρικές μηχανές, με ιδιαίτερη έμφαση στις σύγχρονες μηχανές μόνιμων μαγνητών. Παρέχονται λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά, ενώ αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που τις έχουν καθιερώσει στη βιομηχανία των ανελκυστήρων. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια γενική εισαγωγή στο μαθηματικό μοντέλο της μηχανής μόνιμου μαγνήτη και εξετάζεται η τροποποίηση του ισοδύναμου κυκλώματος με την ενσωμάτωση των απωλειών. Επιπλέον, δίνεται έμφαση στον σημαντικό ρόλο των ηλεκτρονικών ισχύος, απαραίτητων για την οδήγηση του κινητήρα, και παρουσιάζονται οι κατηγορίες ελέγχου που θα χρησιμοποιηθούν για τις προσομοιώσεις. Σε επίπεδο προσομοίωσης, θα χρησιμοποιηθούν τα εργαλεία από το προγραμματιστικό περιβάλλον του MATLAB/Simulink προκειμένου να προσομοιωθούν και να συγκριθούν μεταξύ τους οι διάφορες τεχνικές ελέγχου. Τέλος, πραγματοποιείται ανάλυση των χρήσιμων συμπερασμάτων που προκύπτουν από τη μελέτη, ενώ προτείνονται μελλοντικές προεκτάσεις που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιπλέον έρευνας.

The evolution of the lift industry over time is undoubtedly an important field of research due to the combination of electrical, electronic and mechanical systems. Besides, their evolution has made them an important part in the daily life of citizens as they are identified in their continuous and repetitive movements as a critical means of transportation. Initially, their decisive contribution can be found in their safe movement as their use and operation take into account key parameters and comply with various safety protocols. In addition, the possibility of transporting and moving large loads is given, where, depending on the specifications and the speed of the lift, the definition of its movements is also formed. However, the most basic parameter concerns the type of lift, as there are many different types of lift on the market, characterized by their flexibility and functionality. The thesis will focus on the study of the mechanical in addition to the electrical elements of an elevator. More specifically, the thesis aims to study the electrical parts of the drive system of an electromechanical elevator, which is currently the main operating and manufacturing technology of elevators. The electric motor, which is also the main means of transmission, is considered particularly important by manufacturers in order to achieve better operating efficiency of both the overall system and the electric motor and greater energy saving. The proper functionality of the electric motor relies primarily on the use of the power electronics. More specifically, properly designed inverter and appropriate configuration of control techniques, are two key components to deliver optimal drive system functionality. This thesis presents the selection of a suitable electric motor as a function the speed and application of the lift. It is worth noting, that the technical characteristics of the electric motor are modified according to the application we have to explore. The study will focus on the comparative analysis of different control techniques in a high efficiency and low loss permanent magnet assisted electric motor. The final graphs extracted will highlight important conclusions about the control techniques applied and which technique is suitable to be used in the specific application. The thesis is divided into five chapters. At the beginning a general reference to the development of elevator technology is presented. In addition, the overall operating cycle of the drive system is analyzed using experimental curves compared to simulated ones in order to establish the correct system configuration that can lead to significant energy saving. The second chapter focuses on electrical machines, with particular emphasis on modern permanent magnet machines. Detailed information on their construction characteristics is provided, and the advantages and disadvantages that have established them in the lift industry are analyzed. In chapter three, an introduction to the mathematical model of the permanent magnet machine is presented and the modification of the equivalent circuit by incorporating losses is discussed. In addition, the important role of power electronics, necessary for driving the motor, is emphasized and the control techniques to be used for the simulations are presented. At the simulation level, the tools from the MATLAB/Simulink programming environment will be used in order to simulate and compare the different control techniques. Finally, the conclusions drawn from the study are presented and ideas that can be the subject of further research are suggested.